Датчики

 

 Датчик (англ. sensor) – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую или регулируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. 

Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

 

В общем виде датчик Д можно представить в виде чувствительного элемента ЧЭ и преобразователя Пр.

Чувствительный элемент в системах автоматики и телемеханики выполняет функции «органов чувств». Он предназначен для преобразования контролируемой ве­личины х в такой вид сигнала x1, который удобен для измерения.

В преобразователе, как правило, происходит преобразование неэлектрического сигнала х1в электри­ческий сигнал у.

Рис. Структура датчика

На вход датчика могут поступать как электрические, так и неэлектрические сигналы. С выхода датчика обыч­но получают электрические сигналы. Это вызвано тем, что электрический сигнал проще усиливать и переда­вать на различные расстояния.

Общими характеристиками датчиков являются:

• статическая характеристика;
• инерционность;
• динамическая (дифференциальная) чувствительность;
• порог чувстви­тельности;
• погрешность;
• мощность;
• момент или усилие, требуемые от источника входного сигнала;
• выходная мощность;
• выходное сопротивление датчика.

 

Требования, предъявляемые к датчикам:

- однозначная зависимость выходной величины от входной;

- стабильность характеристик во времени;

- высокая чувствительность;

- малые размеры и масса;

- отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

- работа при различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа.

 

Классификация датчиков, основные требования к ним

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

 В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают:

• датчики механических перемещений (линейных и угловых),
• пневматические,
• электрические,
• расходомеры,
• датчики скорости,
• ускорения,
• усилия,
• температуры,
• давления
• и др.

 

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические:

датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения),

датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения),

датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения),

датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

- электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

- электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

 

По типу различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоич­ное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

 

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: 

• генераторные и 
• параметрические .

Генераторные датчики предназначены для преобра­зования неэлектрического контролируемого или регули­руемого параметра в ЭДС. Эти датчики не требуют по­стороннего источника энергии, так как сами являются источниками ЭДС.

 

Генераторные датчики бывают: 

• термоэлектрическими;
• пьезоэлектрическими;
• гальваническими;
• тахометрическими.

  

Параметрические датчики преобразуют входную величину в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.

Эти датчики получают электрическую энергию от вспомогательного источника энергии.

Пара­метрические датчики делятся на датчики:

-       активного сопротивления (контактные, реостатные, потенциометрические, тензодатчики, терморезисторы) и

-       реактивные сопротивления (индуктивные, емкостные).

 

 Датчики активного сопротивления(Омические, резистивные)  – принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l, площади сечения S или удельного сопротивления p:

R= pl/S

 

 

Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления, температуры и освещённости фотоэлементов.

В соответствии с этим омические датчики делят на: 

• контактные,
• потенциометрические (реостатные),
• тензорезисторные,
• терморезисторные,
• фоторезисторные.

 

Контактные датчики — это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи.

Контактным датчиком называется датчик, в котором линейное или угловое перемещение  преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих одной или несколькими электрическими цепями.

 

Контактные датчики делят на датчики :

• с механическим управлением
• с магнитным управлением(герконы).

 

Геркон (от «герметизированный контакт») — электромеханическое коммутационное устройство, изменяющее состояние подключённой электрической цепи при воздействии магнитного поля от постоянного магнита или внешнего электромагнита, например, соленоида.

Конструкция герконов

Существующие виды герконов имеют схожую конструкцию, отличающуюся лишь незначительными деталями. Все они представляют собой герметичную стеклянную колбу, внутри которой находится пара контактов из пермаллоя. Для повышения надежности срабатывания они покрываются тонким слоем благородных металлов. Их внешние части или выводы используются для подключения прибора в рабочую цепь. Внутреннее пространство колбы заполнено инертным газом, либо из него выкачан воздух. Это позволяет продлить срок службы коммутирующего изделия и повысить коррозийную стойкость металлов.

Принцип действия

Для срабатывания геркона на замыкание потребуется создать вокруг него магнитное поле нужной напряженности. Совершенно не важно, что является источником полевой структуры: электромагнит или его постоянный аналог. Под действием этого магнитного поля контакты намагничиваются и притягиваются один к другому, преодолевая собственную упругость.

 

  

С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контро­лируют их форму и т. д.

Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе.

В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть одно предельными и многопредельными. Последние используют для измерения величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части резистора R, включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются. 

  

На современном автомобиле контактные датчики нашли широкое применение.

Рассмотрим некоторые из них.

Датчики аварийных режимов

Датчики перегрева охлаждающей жидкости

Принцип действия. В датчиках перегрева охлаждающей жидкости используют­ся свойства термобиметаллической пластины изгибаться при нагреве (такая пла­стина состоит из двух слоев металла, имеющих различные значения температур­ного коэффициента линейного расширения).

 

В корпусе датчика термобиметаллическая пластина может быть неподвижно закреплена либо одним концом (рис.а), либо двумя (рис.б).

 В первом случае подвижный контакт размещается на свободном конце пластины, во втором — при прогибе пластины перемещается толкатель     

 

Рис. Принцип действия датчика перегрева охлаждающей жидкости:

а - с консольным креплением термобиметаллической пластины; б - с жестким креплением обоих кон­цов термобиметаллической пластины;

1 - термобиметаллическая пластина; 2 - подвижный контакт; 3 - неподвижный контакт; 4 - толкатель; X - величина изгиба пластины при перегреве охлаждающей жидкости; α1, α2 - линейные коэффициенты температурного расширения пассивного (инвар) и актив­ного (сталь) слоев термобиметаллической пластины; h1 и h2 - толщины активного и пассивного слоев термобиметаллической пластины; l - длина нагреваемого участка термобиметаллической пластины; lпop - пороговое (максимально допустимое) значение температуры охлаждающей жидкости

 

Датчик включения электровентилятора системы охлаждения двигателя ТМ108  состоит из биметаллической пластины 2 в латунном корпусе 1, которая при превышении температуры охлаждающей жидкости предельно допустимого для данного автомобиля значения прогибается и перемещает толкатель 3 и подвижный контакт 5. Контакт 5 соединяется с неподвижным контактом 6, что обес­печивает включение электровентилятора.

При снижении температуры охлаждающей жидкости биметаллическая пла­стина остывает, ее прогиб уменьшается, и толкатель с подвижным контактом пе­ремещается в исходное положение, размыкая цепь питания электровентилятора охлаждения.

 

 

Датчики аварийного давления масла

Принцип действия. В основе работы датчиков аварийного давления масла лежит свойство упругих элементов деформироваться под действием давле­ния окружающей среды. В качестве упругого элемента в датчиках используют­ся мембраны, но в отличие от датчиков манометров они не гофриро­ванные, а плоские. Плоская мембрана менее чувствительна, чем гофрированная, но проще в изготовлении. 

При работе двигателя под действи­ем давления масла мембрана 3 прогибается и с помощью толкателя 2 удержи­вает контакты 1 и 5 в разомкнутом состоянии. При снижении давления прогиб мембраны 1 уменьшается, толкатель 2 перемещается вниз, и при снижении давления масла до величины, меньшей минимально допустимого значения, контакты датчика замыкаются, сигнализатор аварийного давления масла за­горается.

 

Датчики уровня жидкостей

Принцип действия.В отечественных легковых автомобилях применяются два типа датчиков уровня жидкостей: с обычными контактами (датчик уровня тормозной жидкости) и с магнитоуправляемыми (геркон) контактами (датчики уровня масла, охлаждающей и омывающей жидкостей). Чувствительным элементом в датчиках обоих типов служит поплавок.

В контактном датчике поплавок 3 через толкатель 2 удерживает контакты 1 и 4 датчика в разомкнутом состоянии, пока уровень жидкости находится в пределах нормы. При снижении уровня до минимально допустимой величины поплавок опускается и контакты датчика замыкаются, включая соответствующий сигнализатор.

В герконовых датчиках на внутреннем диаметре поплавка размещен небольшой магнит 6. Пока поплавок 3 находится в верхнем положении (уровень жидкости в пределах нормы), контакты 7 геркона разомкнуты. Как только уровень жидкости станет меньше нормы, поплавок опустится и контакты геркона под действием постоянного магнита поплавка замкнутся. При этом загорится соответствующая сигнальная лампа.

 

 

Вместо сигнала “включено-выключено” в микропроцессорной системе управления автомобиля предпочтительнее использовать сигнал “малое сопротивление – большое сопротивление”.

Это исключает неправиль­ную трактовку выключенного состояния как обрыв цепи. Эта идея неоднократно встречается в конструкциях различных датчиков.

Разомкнутым контактам соответствует большое сопротивление Rs+ R. Замкнутым контактам соответствует малое сопротивление R.

В этом случае схема контактного датчика будет иметь вид

Датчик контактного типа 

 

 

 

Датчик уровня жидкости – поплавковый выключатель

На Рисунке ниже показана конструкция датчика с поплавком, к рычагу которого прикреплен небольшой магнит. В верхней части бака укреплен геркон. Когда бак полон и поплавок находится вверху, магнит оказывается вблизи геркона и своим магнитным полем замыкает контакты. По мере опускания поплавка магнитное поле в области геркона ослабевает и наступает такой момент, когда магнит не в состоянии будет удержать контакты в замкнутом состоянии.

При размыкании контактов сопротивление датчика скачком возрастает с 180 до 1380 Ом. Для блока управления это является сигналом к включению лампочки на панели приборов.

 

Как видно из формулы, сила тока при меньшем сопротивлении почти в восемь раз больше, чем при большем.

 

 

контроль за неисправностью световых приборов

Для контроля за исправностью лампочек осветительных приборов используются герконы. 

 

На Рисунках изображена схема с герконом, управляемым внешней катушкой. Если контролируемая лампа горит, проходящий через нее ток возбуждает катушку геркона, контакты замыкаются и сигнальная лампочка тоже зажигается.

 

 

контроль за износом тормозных колодок

 Схема имеет несколько вариантов, один из которых показан на Рисунке. 

На глубине, соответствующей предельной толщине накладки 2 мм, заделана проволочная петля. Когда износ достигает этой глубины, конец петли стирается и цепь прерывается. В этот момент к сопротивлению контрольной цепи 180 Ом последовательно добавляется сопротивление 1200 Ом. Увеличение сопротивления с 180 до 1380 Ом воспринимается блоком управления как сигнал к включению лампочки не приборной панели.

 

                             

Недостаток контактных датчиков — сложность осуществления непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автоматики.